數(shù)控的基本概念

1、1數(shù)控技術(shù)說(shuō)明 參考教材：微機(jī)數(shù)控技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，焦振學(xué)主編。機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，任玉田等編著。 微機(jī)數(shù)控技術(shù) 的數(shù)控部分的章節(jié)是單獨(dú)排列的，相關(guān)的內(nèi)容都可以在微機(jī)數(shù)控技術(shù)中找到。2第一章 概 述第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床的基本概念一、數(shù)控設(shè)備和數(shù)控機(jī)床二、CNC系統(tǒng)的組成三、CNC機(jī)床的特點(diǎn)第二節(jié) 計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床的分類一、按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類二、按伺服系統(tǒng)的控制方式分類三、三、按照CNC裝置的功能水平分類 第三節(jié) 數(shù)控技術(shù)與現(xiàn)代制造系統(tǒng)一、數(shù)控設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)二、數(shù)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)3第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床的基本概念一、數(shù)控設(shè)備和數(shù)控機(jī)床一、數(shù)控設(shè)備和數(shù)控機(jī)床

2、(一)數(shù)控設(shè)備和數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控，即數(shù)字控制（Numerical Control，簡(jiǎn)稱NC）是近代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)，在機(jī)床領(lǐng)域是指用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。定義中的“機(jī)床”不僅指金屬切削機(jī)床，還包括其它各類機(jī)床，如線切割機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。裝備了數(shù)控系統(tǒng)的受控設(shè)備稱為數(shù)控設(shè)備。受控設(shè)備包括機(jī)床行業(yè)的各種數(shù)控機(jī)床和其它行業(yè)的許多數(shù)控設(shè)備，如數(shù)控火焰切割機(jī)、電火花加工機(jī)、數(shù)控沖剪機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)等。 4裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床叫數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床包含在數(shù)控設(shè)備中。國(guó)際信息處理聯(lián)盟第五技術(shù)委員會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是

3、一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號(hào)碼，或其它符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它能自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字值和指令，并將其譯碼、處理，從而自動(dòng)地控制機(jī)床移動(dòng)和加工零件。5 （二）數(shù)控（NC）與計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的控制核心，通常由一臺(tái)通用或?qū)Ｓ玫奈⑿陀?jì)算機(jī)構(gòu)成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入的指令，進(jìn)行譯碼、處理、計(jì)算和控制，實(shí)現(xiàn)其數(shù)控功能。以前數(shù)控設(shè)備的數(shù)控功能是用專用計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以稱為硬件數(shù)控，簡(jiǎn)稱NC。現(xiàn)在主要以計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，所以稱為軟件數(shù)控或計(jì)算機(jī)數(shù)控，簡(jiǎn)稱CNC。由于計(jì)算機(jī)數(shù)控是數(shù)控系統(tǒng)的

4、一種，再加上現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有硬件數(shù)控，所以我們現(xiàn)在管數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為CNC系統(tǒng)。6 二、CNC系統(tǒng)的組成（一）CNC系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，自動(dòng)地按給定的程序進(jìn)行機(jī)械零件的加工。數(shù)控系統(tǒng)是由用戶程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置（CNC裝置）、可編程控制器（PLC）、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等組成。圖1-1 CNC系統(tǒng)框圖程序輸入設(shè)備計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置（CNC裝置）可 編 程 控制器（PLC）主軸控制單元速度控制單元輸出設(shè)備主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)器機(jī)床7 1. 用戶程序它是零件加工程序。根據(jù)零件圖紙，用手工編程或自動(dòng)編程的方法編制出數(shù)控加工程序并存儲(chǔ)在一種信息載體上。2. 輸

5、入輸出設(shè)備 CNC系統(tǒng)對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制所需的各種外部控制信息及加工數(shù)據(jù),都是通過(guò)輸入設(shè)備存入CNC裝置的存儲(chǔ)器中。輸入CNC裝置的有零件加工程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。輸出設(shè)備主要的功能為顯示、打印、輸出加工程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償參數(shù)等。8 3. CNC裝置CNC裝置由硬件和軟件組成。硬件主要由微處理器、存儲(chǔ)器、位置控制、輸入/輸出接口、可編程控制器、圖形控制、電源等模塊組成。軟件由管理軟件和控制軟件組成。管理軟件系指零件加工程序的輸入輸出、系統(tǒng)的顯示功能和診斷功能?？刂栖浖t包括譯碼處理、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制和速度控制。9 4. 可編程控制器(PLC)數(shù)控設(shè)備用可編程控制器主要完

6、成數(shù)控設(shè)備的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯順序控制，即用PLC程序代替用繼電器控制線路，實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的輔助功能、主軸轉(zhuǎn)速功能、刀具功能的譯碼和控制。數(shù)控設(shè)備用PLC有內(nèi)裝型和獨(dú)立型兩種。內(nèi)裝型PLC從屬于CNC裝置，PLC硬件電路可與CNC裝置其它電路制作在同一塊印刷板上，也可以作成獨(dú)立的電路板。獨(dú)立型PLC獨(dú)立CNC裝置，本身具有完備的硬、軟件功能，可以獨(dú)立完成所規(guī)定的控制任務(wù)。10 5. 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。伺服系統(tǒng)主要指數(shù)控設(shè)備的主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，是CNC系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)的作用是把來(lái)自CNC裝置的各種指令（脈沖信號(hào)），轉(zhuǎn)換成數(shù)控設(shè)備移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床的伺

7、服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，常用的驅(qū)動(dòng)元件有功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)，后二者都帶有感應(yīng)同步器、編碼器等位置檢測(cè)元件。11（二）CNC系統(tǒng)的主要工作過(guò)程1. 正常工作前的準(zhǔn)備工作在接通電源后，CNC裝置將對(duì)數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的各組成部分的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查和診斷，并設(shè)置初始狀態(tài)。2. 零件加工控制信息的輸入CNC系統(tǒng)具備了正常工作條件后，開(kāi)始輸入零件加工程序、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償數(shù)值、刀具半徑補(bǔ)償數(shù)值以及工件坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值。3. 數(shù)控加工程序的譯碼和預(yù)處理加工控制信息輸入后，啟動(dòng)加工運(yùn)行，此時(shí)CNC裝置在系統(tǒng)控制程序的作用下，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行預(yù)處理，即進(jìn)行譯碼和預(yù)計(jì)算（刀補(bǔ)計(jì)算、坐標(biāo)變換等

8、）。124. 插補(bǔ)計(jì)算一個(gè)程序段的加工控制信息預(yù)處理完畢后進(jìn)行插補(bǔ)處理。所謂“插補(bǔ)”就是指在一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在一段零件輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)，分別向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出方向、大小和速度都確定的運(yùn)動(dòng)序列指令。5. 位置控制各個(gè)坐標(biāo)軸的伺服系統(tǒng)將插補(bǔ)結(jié)果作為各個(gè)坐標(biāo)軸位置調(diào)節(jié)器的指令值，機(jī)床上位置檢測(cè)元件測(cè)得的位移作為實(shí)際位置值。位置調(diào)節(jié)器將兩者進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，輸出相應(yīng)的位置和速度控制信號(hào)，控制各軸伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。通過(guò)各個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的合成，產(chǎn)生數(shù)控加工程序所要求的工件輪廓尺寸。13 三、CNC機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)

9、床的優(yōu)點(diǎn)比較多，主要有以下幾點(diǎn)：1. 加工精度和尺寸重復(fù)精度高,加工質(zhì)量穩(wěn)定性好2. 柔性好，通用性強(qiáng)3. 易于實(shí)現(xiàn)多功能、高復(fù)雜程度的控制4. 加工生產(chǎn)率高5. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,改善勞動(dòng)條件6. 可靠性高,經(jīng)濟(jì)性好7. 有利于向高級(jí)制造系統(tǒng)發(fā)展數(shù)控機(jī)床的不足之處：投資大、維修維護(hù)難度大以及對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)水平要求較高。14第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類一、按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類1. 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床它的特點(diǎn)是刀具相對(duì)工件的移動(dòng)過(guò)程中，不進(jìn)行切削加工，對(duì)定位過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有嚴(yán)格要求，只要求實(shí)現(xiàn)從一坐標(biāo)點(diǎn)到另一坐標(biāo)點(diǎn)的精確定位。 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床主要有：數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等。15 某些數(shù)控

10、機(jī)床不僅要求具有準(zhǔn)確定位的功能，而且要求從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間按直線移動(dòng)，并能控制位移的速度。因?yàn)檫@一類型的數(shù)控機(jī)床在兩點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)，要進(jìn)行切削加工。 直線控制數(shù)控機(jī)床主要有：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、加工中心等。一般情況下這些數(shù)控機(jī)床有兩到三個(gè)可控軸，但同時(shí)控制軸數(shù)只有一個(gè)。 2. 直線控制數(shù)控機(jī)床16 這類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸，可以加工曲線或曲面的零件。 輪廓控制數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控電加工機(jī)床等。 3. 輪廓控制數(shù)控機(jī)床171. 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 這類數(shù)控機(jī)床不帶位置檢測(cè)反饋裝置。CNC裝置輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路的功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

11、轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，其控制框圖如下圖所示。開(kāi)環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)快，調(diào)試方便，維修簡(jiǎn)單，但控制精度低這類數(shù)控機(jī)床多為經(jīng)濟(jì)型。指令脈沖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖 二、按伺服系統(tǒng)的控制方式分類18 這類數(shù)控機(jī)床帶有位置檢測(cè)反饋裝置。位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，用以檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行位置，并與CNC裝置的指令位置進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制，其控制框圖如下圖所示。 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)控制脈沖比 較環(huán) 節(jié)速度控制單元機(jī) 床工作臺(tái)伺 服電 機(jī)位置檢測(cè)元件控 制元 件位置反饋電流反饋速度反饋19閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：精度高、速度快、技術(shù)上要求高，成本較

12、高。閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)試和維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)調(diào)試不好容易產(chǎn)生振蕩，所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)穩(wěn)定性給予足夠的重視。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于一些精度要求較高的超精車床、鏜銑床、超精銑床和精密加工中心等。20 3. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是將檢測(cè)元件安裝在電機(jī)或絲杠端頭上，檢測(cè)角位移，其控制框圖如下圖所示。由于閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺(tái)，所以可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性。其控制精度雖不如閉環(huán)控制系統(tǒng)，但調(diào)試比較方便，因此它廣泛應(yīng)用于中小型的CNC機(jī)床?？刂泼}沖比 較環(huán) 節(jié)速度控制單元機(jī) 床工作臺(tái)伺 服電 機(jī)位置檢測(cè)元件速度檢測(cè)元件位置反饋電流反饋速度反饋21 三、按照CNC

13、裝置的功能水平分類 按照數(shù)控機(jī)床的功能水平對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行分類，一般可以把數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔三類 。 1. 分辨率和進(jìn)給速度 分辨率為10 m ，進(jìn)給速度在815 m/min為低檔；分辨率為1 m,進(jìn)給速度在1524 m/min為中檔；分辨率為0.1m，進(jìn)給速度在15100 m/min為高檔。 2. 伺服進(jìn)給類型 采用開(kāi)環(huán)、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)為低檔；中高檔則采用半閉環(huán)或閉環(huán)的直流伺服系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)。 22 3. 聯(lián)動(dòng)軸數(shù)值聯(lián)動(dòng)軸數(shù)值 低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為23軸，而中、高檔則為35軸以上。 4. 通信功能 低檔數(shù)控機(jī)床一般無(wú)通信功能。中檔可以有RS232或DNC（direct num

14、erical control )接口。高檔的還可以有MAP（ manufacturing automation protocol ）通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。 5. 顯示功能 低檔的數(shù)控機(jī)床一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)碼管顯示或簡(jiǎn)單的CRT字符顯示。而中檔數(shù)控機(jī)床則具有較齊全的CRT顯示，不僅有字符顯示，而且有圖形顯示，人機(jī)對(duì)話功能，自診斷等功能。高檔數(shù)控機(jī)床還有三維圖形顯示。 23 6. 內(nèi)置PLC 低檔數(shù)控機(jī)床一般無(wú)內(nèi)置PLC，中高檔都有內(nèi)置PLC。高檔數(shù)控機(jī)床具有強(qiáng)功能的內(nèi)置PLC，具有軸控制的擴(kuò)展功能。 7. 主CPU 低檔數(shù)控一般采用8位CPU，中檔及高檔已經(jīng)逐步由16位CPU向32位CPU過(guò)渡。

15、外國(guó)的一些新的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)選用了64位CPU，并選用具有精簡(jiǎn)指令集的RISC中央處理單元，以提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度。 24第三節(jié) 數(shù)控技術(shù)與現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)一、數(shù)控設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)：降低價(jià)格、提高可靠性、拓寬功能、提高操作舒適性、提高集成度、提高系統(tǒng)的柔性和開(kāi)放性。數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)硬 件開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),PC集成技術(shù),系統(tǒng)模塊化系統(tǒng)軟件開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)CNC核心功能三維刀具補(bǔ)償,樣條插補(bǔ)編程功能三維圖形模擬,WOP編程,在線編程伺服系統(tǒng)采用現(xiàn)代控制理論提高跟隨精度監(jiān)控和診斷自適應(yīng)技術(shù),智能診斷技術(shù)通 信MAP,TCP/IP,現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)等用戶界

16、面用戶可設(shè)計(jì)的界面25 二、數(shù)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 為滿足現(xiàn)代生產(chǎn)中的多品種、中小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期快的要求，出現(xiàn)許多先進(jìn)制造方法和系統(tǒng)，概括起來(lái)主要有：1.柔性制造單元(FMC)2.柔性制造系統(tǒng)(FMS)3.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)在這里，我們主要介紹一下FMC、FMS的定義以及它們的特點(diǎn)等。26 （一）柔性制造單元（FMC）1. FMC的概念 柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，簡(jiǎn)稱FMC）由一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控設(shè)備，自動(dòng)化物流存儲(chǔ)、傳輸和交換裝置，及一臺(tái)單元控制計(jì)算機(jī)組成。單元控制計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)和控制單元內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行并與上級(jí)計(jì)算機(jī)通信。2. FM

17、C的組成 一般情況下，F(xiàn)MC中存在著信息流、物流和加工三個(gè)子系統(tǒng)。信息流子系統(tǒng)包括FMC控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、控制與管理軟件；物流子系統(tǒng)包括工件流和刀具流的裝卸、搬運(yùn)和存儲(chǔ)。下圖就是一個(gè)FMC的控制結(jié)構(gòu)框圖。27圖 一個(gè)FMC的控制結(jié)構(gòu)框圖283. FMC的特點(diǎn)在單元計(jì)算機(jī)控制下，可在不同或同一機(jī)床上進(jìn)行不同零件的加工；在單元計(jì)算機(jī)控制下，可以組成柔性制造系統(tǒng)并進(jìn)行通信；在機(jī)床加工過(guò)程中可自動(dòng)進(jìn)行刀具的更換和工件的自動(dòng)傳輸；在機(jī)床加工過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程監(jiān)控；29 （二）柔性制造系統(tǒng)（FMS）1. FMS的定義柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，簡(jiǎn)稱FMS）

18、的定義是：柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它包括多個(gè)柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進(jìn)行調(diào)整，適用于多品種、小批量生產(chǎn)。2. FMS的基本組成從硬件的形式看有三部分組成：多個(gè)加工設(shè)備、一套自動(dòng)的物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)以及一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。從軟件內(nèi)容看主要包括：運(yùn)行控制軟件、質(zhì)量控制軟件以及數(shù)據(jù)管理和通信軟件。從功能上看應(yīng)該有：能自動(dòng)進(jìn)行零件的批量生產(chǎn)；改變軟件，便能制造出某一零件族的任何零件；物料的運(yùn)輸和存儲(chǔ)是自動(dòng)完成的；能解決多機(jī)條件下零件的混合比，且無(wú)需額外增加費(fèi)用。303. FMS的效益由于FMS是自動(dòng)化系統(tǒng),，應(yīng)用FMS可以獲得明顯的效益，